Envisats mätinstrument SCIAMACHY skapar karta över luftföroreningar

ESA:s Envisat är världens största satellit för miljöövervakning. Den lanserades i februari 2002. Satellitens SCIAMACHY-instrument (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography) registrerar solljusets spektrum i atmosfären. Forskarna granskar sedan resultaten genom att studera absorptionen av ljus för att finna så kallade atmosfäriska spårgaser.

Kvävedioxid (NO₂) uppstår huvudsakligen i samband med mänsklig aktivitet. Den som utsätts för större mängder av gasen får lungskador och andningsproblem. Gasen har även avgörande betydelse för atmosfären, eftersom den spelar en viktig roll för att skapa så kallat marknära ozon i troposfären. Troposfären når upp till mellan åtta och sexton kilometers höjd och är det understa skiktet i atmosfären.

Kvävedioxid uppkommer i samband med utsläpp från kraftverk, tung industri och vägtransport, samt vid förbränning av biomassa. Kvävedioxid skapas även på naturlig väg av blixtar och mikrobiologiska processer i jorden. Många industriländer i väst gör lokala mätningar av kvävedioxidhalten i atmosfären, men det men det råder ofta brist på markbaserad information.

Det enda effektiva sättet att göra en övergripande miljöövervakning är att använda rymdbaserade mätinstrument. Det så kallade GOME-experimentet (Global Ozone Monitoring Experiment) har visat att en satelliten ERS-2 från ESA, noggrant kan mäta kvävedioxidhalten i troposfären. GOME var emellertid bara en mindre föregångare till Envisats SCIAMACHY, som finansierats av Tyskland, Holland och Belgien.

De båda instrumenten fungerar på samma sätt, men GOME har en mer begränsad rumsupplösning, endast 320 x 40 km. Det kan jämföras med SCIAMACHY:s 60 x 30 km. SCIAMACHY kan dessutom observera atmosfären på två olika sätt: observationer rakt nedåt, samt observationer i flygriktningen. Instrumentet täcker dessutom ett betydligt bredare spektralt område än dess föregångare.

Forskarteam från universiteten i Bremen och Heidelberg i Tyskland, det belgiska aeronautik- och rymdinstitutet BIRA-IASB och Hollands meteorologiska institut KNMI har behandlat data från SCIAMACHY och lyckats skapa de mest detaljerade kartor över vertikal kvävedioxidutbredning i atmosfären som någonsin gjorts.

“SCIAMACHY:s förmåga att skapa högre rumsupplösning gör att vi kan se mycket fler detaljer i bilderna, till och med enskilda källor i städerna,” säger Steffen Beirle från institutet för miljöfysik på Heidelbergs universitet, som ansvarar för kartan.

“En hög, vertikal kvävedioxidfördelning är typisk för storstäder i Nordamerika och Europa, samt platser som Mexico City i Centralamerika och sydafrikanska koleldade kraftverk som ligger nära varandra på landets östra Highveld-platå.

“Koncentrationen är även hög över nordöstra Kina. Det finns också kvävedioxid över Sydostasien och en stor del av Afrika till följd av förbränning av biomassa. Vi kan även följa lastfartygens färdvägar i vissa områden som Röda havet och Indiska oceanen mellan Indiens sydspets och Indonesien. Rökpelarna från de skepp som går längs dessa sträckor sänder ut en stor mängd NO₂ i troposfären. Kartan visar ett genomsnitt av de mätningar som gjorts under 18 månader. Detta gör att årstidsbundna variationer, som förbränning av biomassa och andra mänskliga aktiviteter som varierar med tiden på året, inte syns lika tydligt.”

SCIAMACHY observerar ultraviolett, synlig och på gränsen till infraröd strålning i atmosfären, i likhet med GOME. Den svåra delen av arbetet görs på marken, där forskarna i hela ljusspektrat måste hitta de svaga absorptionsmönster som tyder på spårgaser. Att lyckas med denna bedrift är som att hitta en nål i en höstack.

Metodenkallas för DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy) och är en komplicerad filtreringsprocess som även används med markbaserade luftmätningsinstrument. DOAS tar bort det spektrala “bakgrundsljudet” från luftpartiklarnas Rayleigh-spridning av ljuset (samma fenomen som gör att himlen ser blå ut). Instrumentet avlägsnar även absorptionsmönstren från syre, kväve och vattenmolekyler, som utgör den största delen av atmosfären.

Efter rensningen återstår de tätare absorptionsmönstren av spårgaserna, som kan identifieras med hjälp av tvärsnittsundersökningar. Tekniken har tillräckligt hög precision för att i analysen av SCIAMACHY-resultaten kunna identifiera kvävedioxidfördelningar där det bara går några delar kväveoxid på en miljard delar luft. För att förstå vilka skalor det rör sig om, kan nämnas att kvävedioxidhalten över förorenade storstadsområden som London kan vara så hög som hundra delar kvävedioxid på en miljard delar luft.

Kvävedioxidkartor, som den som beskrivs här, har skapats med hjälp av data från nedåtriktade sonderingar. Kvävedioxidhalten varierar avsevärt i troposfären, men är jämt fördelad i den övre atmosfären, dvs. stratosfären. Kvävedioxidhalten har därför mätts över Stilla havets mest avlägsna delar för att fastställa en generell kvävedioxidfördelning i stratosfären som kan dras bort från mätningarna för att få fram värdena för den vertikala fördelningen i troposfären.

“I framtiden skulle resultaten från SCIAMACHY och andra mätinstrument kunna användas för att göra kemiska väderprognoser och prognoser om luftkvaliteten,” tillägger Beirle. “För närvarande koncentrerar vi oss på att använda SCIAMACHY-resultaten till att beräkna hur mycket de olika kvävedioxidkällorna, som förbränning av fossilt bränsle och biomassa, samt blixtar, bidrar till luftföroreningarna. Detta är särskilt viktigt eftersom vi fortfarande är osäkra på hur mycket kvävedioxid som frigörs av blixtar.”

SCIAMACHY

SCIAMACHY är en spektrometer som kartlägger ett mycket brett frekvensområde i atmosfären. Instrumentet kan därmed upptäcka spårgaser, ozon och liknande gaser, samt moln och dammpartiklar i atmosfären. Detta sker genom att mäta solljuset, som släpps igenom, reflekteras och sprids av jordens atmosfär eller yta i ultravioletta, synliga och nästan infraröda våglängder. Instrumentet kan mäta 960 kilometer åt gången och täcker in hela jorden var sjätte dag.

Det mångsidiga instrumentet kan användas i ESA:s Envisat-uppdrag tack vare nationella bidrag. Det har finansierats av Tysklands regering genom den tyska rymdorganisationen DLR, Hollands regering genom NIVR och Belgiens regering genom BIRA-IASB.

John Burrows, från institutionen för miljöfysik på universitetet i Bremen, var den som först kom på idén till SCIAMACHY. Han är nu ansvarig forskare för projektet. SCIAMACHY är en av flera atmosfäriska spektrometrar. Bland de övriga kan nämnas GOME på ERS-2 och den kommande GOME-2, som ska lanseras nästa år i samband med det första MetOp-uppdraget.